Суперкомпьютер Aurora рассчитал поведение 26,8 трлн частиц тёмной материи при моделировании Вселенной в двух симуляциях

Специалисты Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США выполнили две самые масштабные на сегодня космологические симуляции. В каждой из них прослеживалась эволюция 13,4 трлн частиц тёмной материи в области поперечником 28,6 млрд световых лет. Вычисления провёл суперкомпьютер Aurora, производительность которого превышает квинтиллион операций в секунду. Для каждого прогона потребовалось около 8100 вычислительных узлов и 50 000 графических процессоров, а сама работа и значительная часть последующего анализа данных заняли порядка четырёх суток.

Тёмная материя не излучает в диапазонах, доступных телескопам, но её гравитация определяет, как формируются галактики и крупномасштабная структура Вселенной. В моделях частицы позволяют отследить, как тёмная материя распределялась и перемещалась на протяжении всей космической истории. По словам руководителя проекта, вычислительного физика Николаса Фронтьера, такие расчёты нужны в первую очередь для изучения космической инфляции — гипотетического периода стремительного расширения Вселенной на ранней стадии. Согласно этой теории, микроскопические квантовые флуктуации растянулись до космических масштабов и стали зародышами неоднородностей, которые затем усилила гравитация, и в итоге сформировалась современная структура Вселенной.

Исследователи ищут возможные отклонения от стандартного статистического распределения первичных флуктуаций. Обнаружение таких отклонений помогло бы выбрать между конкурирующими моделями инфляции. Но ожидаемый сигнал очень слаб, а точность измерений ограничивает космическая дисперсия — статистическая неопределённость, связанная с тем, что наблюдать можно лишь конечный объём Вселенной. Поэтому симуляции должны охватывать гигантские пространства и при этом обладать достаточным разрешением, чтобы воспроизводить гало тёмной материи — скопления, внутри которых рождаются галактики.

Обе симуляции опираются на одну космологическую модель и содержат одинаковый сигнал, однако начальные фазы в них инвертированы. При совместном анализе это частично сглаживает случайные вариации и повышает точность оценки параметров модели. Кроме того, интенсивность заложенного сигнала скрыта от специалистов, тестирующих методы анализа: так они проверяют, способны ли их алгоритмы восстановить исходное значение, не зная его заранее. Расчёты велись с помощью кода, созданного в Аргоннской лаборатории специально для космологического моделирования на суперкомпьютерах.

За два запуска система хранения Aurora записала свыше 85 петабайт данных, в основном контрольных копий, которые позволяют возобновить вычисления после возможного сбоя. Для научного анализа сохранили около 8 петабайт. На основе полученных моделей можно будет строить синтетические карты всего неба и имитации наблюдений для спектроскопического обзора тёмной энергии DESI и космической миссии NASA SPHEREx. Эти данные помогут отладить методы обработки наблюдений и выявить систематические ошибки ещё до анализа реальных измерений.

Источник: iXBT